高海拔高寒地区堆石混凝土坝温度应力仿真分析与温度监测.pdf
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1、2023年第6 期(总第40 4期)Number 6 in 2023(Total No.404)doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2023.06.006混凝土ConcreteTHEORETICALRESEARCH理论研究高海拔高寒地区堆石混凝土坝温度应力仿真分析与温度监测刘强1,赵厚然,姬广祥,徐艳杰(1.华电金沙江上游水电开发有限公司叶巴滩分公司,四川甘孜6 2 6 7 0 0;2.清华大学水利水电工程系,北京1 0 0 0 8 4)摘要:叶巴滩二道坝是首个水电工程堆石混凝土过水建筑物及高海拔高寒地区大型堆石混凝土坝工程,对堆石混凝土技术在高海拔高寒严酷环境及水电行业
2、的推广应用具有示范引领作用。采用有限元法对叶巴滩堆石混凝土二道坝典型坝段施工期和运行期的温度场、应力场进行全过程仿真分析,并通过现场试验仓温度监测,验证仿真分析的可信性。分析结果表明:堆石混凝土坝“42m与“2 1 m坝段宽度方案相比,坝体温度场分布与量值基本相同,应力场分布规律类似,但由于“42 m坝段宽度大,散热条件不利,表面抗冲耐磨混凝土在冬季会出现超过允许拉应力值的区域,存在开裂风险;冬季在坝体表面采取保温养护措施,表面抗冲耐磨混凝土拉应力有较为明显的降低,均在应力允许值范围内。最大坝段宽度采用42 m是合理的,并可取消内部温控措施,只需在冬季时采取相应外部保温措施即可。现场监测的水化
3、温升远小于仿真分析的绝热温升值,说明坝体实际整体应力水平更低,验证了仿真分析的可信性。关键词:堆石混凝土坝;高海拔高寒地区;温度与应力仿真分析;有限元法中图分类号:TU528.07(1.Yabatan Branch,Huadian Jinsha River Upstream Hydropower Development Co.,Ltd.,Ganzi 626700,China;Abstract:The Yebatan subsidiary dam is the first rock-filled concrete overpass building and a rock-filled concr
4、ete subsidiary dam pro-ject of high altitude.It plays a leading and demonstration role in the popularization and application of rock-filled technology in the highlycold and harsh environment of high altitude and the hydropower industry.The finite element method is used to simulate the temperature an
5、dstress field of the typical section of the rock-filled concrete dam in Yebatan during the whole process of construction and operation.The re-liability of the simulation analysis is verified by temperature monitoring in the field test chamber.As the analytic results show,in compari-son between the d
6、am section with 42 m width and that with“21 m width,the temperature field distribution and magnitude of the dambody are basically the same,and the stress field distribution is similar.However,due to the large width of the“42 m”dam section and unfa-vorable heat dissipation conditions,the surface anti
7、-impact wear-resistant concrete will exceed the allowable tensile stress value in winter,and there is a risk of cracking.In winter,the thermal insulation and maintenance measures are taken on the upstream and downstream sur-face of the dam and the pouring silo surface,and the tensile stress of the s
8、urface anti-impact wear-resistant concrete is significantly re-duced,all of which are in the allowable stress range.It is reasonable to adopt the maximum joint width of 42 m for the Yebatan rock-filledconcrete subsidiary dam,and the internal temperature control measures can be cancelled,and only the
9、 corresponding external insulationmeasures should be taken in winter.The hydration temperature rise measured in the field is much lower than the adiabatic temperature risemeasured in the simulation,which indicates that the actual overall stress level of the dam body is lower,verifying the credibilit
10、y of the sim-ulation analysis.Key words:rock-filled concrete dam;cold region of high altitude;temperature and stress analysis;finite element method文献标志码:ASimulation analysis and temperature monitoring of temperature and stress ofrock-filled concrete dam in cold area of high altitudeLIU Qiang,ZHAO Ho
11、uran?,JI Guangxiang?,XU Yanjie?2.Department of Hydraulic Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)文章编号:1 0 0 2-35 5 0(2 0 2 3)0 6-0 0 2 6-0 7高2 1 7.0 m,采用全坝身泄洪消能的方式,对水垫塘二道坝0引言安全运行保证率要求相对较高,同时工程地处高海拔高寒叶巴滩水电站位于四川与西藏界河金沙江上游河段地区(海拔为2 8 0 0 30 0 0 m),低温天气较多(坝址区多年上,主坝为混凝土双曲拱坝,坝顶高程2 8 9 4.0 m,最
12、大坝平均气温约9.2,全年有4个月的月平均气温低于5,收稿日期:2 0 2 2-0 3-0 6基金项目:国家自然科学基金重点项目(5 2 0 39 0 0 5);陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室开放基金重点项目(SZ02301)26坝址区极端最低气温-2 3.5)叫,坝体混凝土处于明显的大温差及冻融循环环境,开裂风险较高,二道坝可研及招标设计均采用常态混凝土。考虑工程在建设期间曾遭遇两次白格堰塞湖影响,施工工期损失较大,为确保工程按期顺利推进,二道坝坝体采用施工方便快捷、节约工期和投资的堆石混凝土材料。堆石混凝土筑坝技术是我国自主知识产权的新型筑坝技术,具有施工速度快、综合造价低、安全可
13、靠、环境友好等特点,已得到了广泛的应用2-5 1。截至2 0 2 2 年底,堆石混凝土建设大坝工程1 5 3座(其中已建大坝1 1 7 座,在建大坝36 座)。由于堆石混凝土大坝施工中通常不分纵缝、不采用内部水管冷却措施,仅依靠自然散热,坝内高温持续时间较长(尤其是重力坝),坝体温度要降到稳定或准稳定温度场,需要很长的一个过程。因此在很长的时间里,坝内由于持续高温,在低温季节或遇寒潮时,会因为较大的内外温差引起坝体开裂的风险 6-7。二道坝表面具有过流需求及防渗要求,在设计时对其提出了更高要求图,针对二道坝表面防渗层自密实混凝土的设计与施工难点,开展了防渗层自密实混凝土与坝体堆石混凝土一体化浇
14、筑工艺及构造,不仅简化施工提高工效,而且能够充分发挥堆石混凝土水化热温升低、不易开裂的性能优势,开发出了堆石混凝土的“高性能防护壳”9。同时,高海拔高寒区的堆石混凝土重力坝工程仅有满坪(坝高7 7 m,坝顶高程2 5 40.8 m)晓龙沟(坝高44m,坝顶高程39 5 6 m)、曲卜藏(坝高38.5 m,坝顶高程3348.5 m)金桥(坝高2 6 m,0900S+0(1f)坝顶高程342 7.5 m)等4座水库,工程经验相对缺乏。因此,有必要系统开展高海拔高寒地区堆石混凝土二道坝施工期与运行期大坝温度应力仿真分析,研究坝体温度场、应力场发展规律及其影响因素,掌握大坝真实工作性态。清华大学基于A
15、BAQUS等有限元分析软件及其二次开发,建立了混凝土坝温度仿真和考虑徐变效应的应力计算平台,并成功应用于多个混凝土坝的仿真分析 1 0-1 1本研究将依托叶巴滩水电站堆石混凝土二道坝工程,采用ABAQUS有限元分析软件对不同坝段宽度及外部保温措施条件下典型坝段施工期和运行期的温度场、应力场进行全过程仿真分析,并通过现场试验仓温度监测,验证仿真分析的可信性。通过分析揭示高海拔高寒地区堆石混凝土坝的温度应力场分布与发展规律,为高海拔高寒地区堆石混凝土坝设计和施工提供更为扎实的理论依据。1分析模型1.1堆石混凝土二道坝结构叶巴滩堆石混凝土二道坝坝顶高程2 7 30.0 0 m,坝顶总长1 0 9.0
16、 m,最大坝高45 m。坝体断面采用重力坝型式布置。因坝顶过水,因此在对二道坝过流表面混凝土抗冻、抗冲磨等性能进行试验研究的基础上,确定二道坝主体采用Co25堆石混凝土,表面设置1.0 m厚的Co30W8F200高自密实性能混凝土作为防渗层,兼做抗冲磨混凝土。叶巴滩堆石混凝土二道坝面图如图1 所示。00562+0(f)SL81E+0(if)立2.7 30.0 02.728.00立 2.7 1 8.0 0100100C30高自密性一体化抗冲磨混凝土厚1 0 0 cm立 2 6 7 9.0 0C25F200W8堆石混凝土排水廊道2 692.002 686.502683.00排水孔675300/30
17、0|40025003200灌浆,排水廊道惟幕孔2679.00400/3001300/450图1 叶巴滩堆石混凝土二道坝剖面图(单位:m)271.2计算工期及有限元网格对于叶巴滩水电站堆石混凝土二道坝,本研究分别对坝段宽度为 2 1 m与“42 m的坝段进行温度应力仿真分析,两个计算模型均分为2 1 仓进行浇筑,从2 0 2 1 年1 2 月1 6 日开始岩基计算,坝体混凝土从2 0 2 2 年1 2 月1 日开始浇筑,于2023年1 2 月31 日浇筑完成,此后继续计算至2 0 2 4年1 2 月25日,共进行1 1 0 5 d的模拟计算。本分析暂不考虑蓄水。有限元模型划分网格时,保证沿坝体高
18、度每仓的厚度与实际浇筑厚度一致。有限元单元在高度方向约为0.5 m,沿坝体厚度方向根据混凝土的分区进行网格的划分。对于2 1 m坝段宽度模型共划分了1 5 30 9 个单元,1 8 8 5 1 个节点;对于“42 m坝段宽度模型共划分了36 5 1 5 个单元,38 6 7 0 个节点。坝段-地基整体有限元模型和坝体模型如图2 所示。(a)坝段-地基整体图2 有限元模型1.3混凝土应力计算式按照SL319混凝土重力坝设计规范的规定,坝体水平拉应力和主拉应力按以下标准控制:(1)Kf表1 混凝土配合比及基本性能强度配合比/(kg/m)等级水泥粉煤灰砂子石子水外加剂扩展度/mmV漏斗通过时间/s含
19、气量/%90d抗压强度/MPaCo25193Co030229注:水泥为PMH42.5级水泥;粉煤灰为I级粉煤灰;砂子细度模数为2.5;石子粒径为5 2 0 mm;外加剂为高自密实性能混凝土专用外加剂。1.5初始条件和边界条件作为计算的初始条件,将岩基底温度初设为年平均气温9.1 9。基岩底面为固定温度边界,4个侧面为绝热温度边界,基岩上表面与空气对流换热,进行35 0 d瞬态传热计算,使基岩温度分布接近浇筑开始时的实际温度。温度场计算中,地基4个侧面为绝热面,底面为恒热流边界;地基表面为与大气接触的第三类边界,被水覆盖后为第一类边界;大坝蓄水前,上、下游表面和坝段侧面均为第三类边界。应力场计算
20、中,地基侧面边界设置为法向约束,地基底面为三项全约束。坝体不设置边界约束。施工期考虑了混凝土自重、温度、混凝土徐变等荷载9。2结果分析与讨论对不同坝段宽度及外部保温养护措施条件下叶巴滩28式中:s8一混凝土极限拉伸值;E-混凝土弹性模量,MPa。根据以往工程经验和材料试验成果,给出本工程采用的Co025堆石混凝土、Coo30抗冲耐磨混凝土的允许应力随龄期发展曲线,如图3所示。2.61.21.00.80.60.40.203060990120150180210240270300330360时间/d图3不同类型混凝土允许应力曲线图1.4混凝土材料参数对于堆石混凝土重力坝,坝体混凝土与岩基的材料参数主
21、要是根据工程现场原材料进行相关试验获得。本工程前期针对现场原材料进行了高自密实性能混凝土配合比及基本物理力学性能试验,获得了Co25高自密实性能混凝土及Co30抗冲耐磨混凝土配合比及基本性能,如表1 所示。(b)坝体模型坝体堆石混凝土由大体积块石及填充的高自密实性能混凝土组成,大体积堆石料运送试验室不便且材料性能试验具有一定难度,因此堆石混凝土相关材料参数根据NB/T10077堆石混凝土筑坝技术导则的相关公式换算得到 1 2 。其他未进行相关试验的材料参数值则根据堆石混凝土工程经验参数值及相关文献取得 1 3-1 。最终选取的坝体与基岩材料参数如表2 所示。基本性能291833266833各种
22、温差所产生的温度应力之和,MPa;一堆石混凝土-抗冲耐磨混凝土176717676717610.2110.41700680堆石混凝土二道坝典型坝段施工期和运行期的温度场、应力场进行全过程仿真分析,并通过现场试验仓温度监测,验证仿真分析的可信性。2.1不同坝段宽度的温度应力仿真分析对坝段宽度为“2 1 m与“42 m的坝段进行温度应力仿真分析,典型时段坝体温度分布云图如图4所示,典型时段坝体的最大主应力(拉应力)分布图如图5 所示,坝段不同部位极值特征点的位置分布图如图6 所示,坝体特征节点的最大主应力过程曲线图如图7 所示。根据温度仿真分析结果可知:(1)坝体在施工浇筑过程中的温度分布与季节有关
23、,夏季浇筑时,坝体顶部新浇筑的混凝土层温度最高,随着高度降低温度逐渐下降;冬季浇筑时,由于外界气温低,表面散热快,使得上表面和底面温度较低,而坝体中心温度9125.25.329.535.3表2 坝体与基岩材料参数Co30抗冲耐磨香Co25堆石材料参数基岩混凝土混凝土弹性模量E/GPa35泊松比0.167容重/(kg/m)2.400线膨胀系数/(1/)1.0 x10-5质量热容c/(kJ/(kg)0.96导热系数入/(kJ/(md)254.4绝热温升/40混凝土绝热温升模型参数m0.27混凝土弹性模量模型参数0.225混凝土弹性模量模型参数61混凝土徐变度模型参数Co2.86x10-5混凝土徐变
24、度模型参数A。0.1混凝土徐变度模型参数A13混凝土徐变度模型参数A20.5混凝土徐变度模型参数Bo0.150.15混凝土徐变度模型参数Bl混凝土徐变度模型参数B2混凝土徐变度模型参数D混凝土徐变度模型参数M混凝土徐变度模型参数M2混凝土徐变度模型参数M3较高。坝体上下游面温度随环境变化波动明显,坝体内部由于散热较慢而波动较小。在冬季,由于气温低,混凝土表层迅速散热,坝面附近混凝土的温度下降较快,而坝体内部混凝土由于水化热产生的热量不能快速地与外部进行热交换,其温度相对较高,且高温持续时间也较长。因此,在坝面附近易形成较大范围、有一定深度的温度梯度区,而混凝土内部的相对高温区的范围和温度值则随
25、季节变化和新浇筑的持续进行而缓慢演变。(2)随着浇筑层的增加,坝体内部温度峰值随着层高增加而上升,靠近岩基的温度慢慢下降,最终接近坝址的年平均气温。(3)靠近坝体上下游表面的区域在经过了最大水化热温升之后,温度逐渐随外界气温变化而呈现波动性变化,坝体内部未与空气接触,温度变化幅度相对较小,随外界气温的周期性变化也相对滞后。底部坝体内部因受地基温度影响,温度趋于稳定,约在1 1.5 附近。随着高程的增加,坝体宽度逐渐变小,坝体内部温度受外部环境温度影响也逐步增大。(4)通过对比 2 1 m坝段与 42 m坝段,可以发现两者温度分布、极值几乎相同,这与实际设置的有限元边界条件相吻合。对比 2 1
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